【正文】 第二章 雙極結(jié)型晶體管 1 第二章 雙極結(jié)型晶體管 雙極結(jié)型晶體管（ bipolar junction transistor, BJT）是最早出現(xiàn)的具有放大功能的三端半導(dǎo)體器件，自 1948 年誕生以來，一直在高速電路、模擬電路和功率電路中占據(jù)著主導(dǎo)地位，因此，雙極結(jié)型晶體管也是我們學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。通常所說的晶體管就是指雙極結(jié)型晶體管。 167。 晶體管的結(jié)構(gòu) 1．晶體管的基本結(jié)構(gòu) BJT 是由靠得很近的兩個(gè) PN 結(jié)構(gòu)成的半導(dǎo)體器件。 BJT 一般包含 NPN 或 PNP 三個(gè)區(qū)域，前者稱為 NPN 晶體管，后者稱為 PNP 晶體管，這兩種晶體管及其電路符號(hào)如圖所示。發(fā)射極、基極和集電極分別用英文字母 E、 B、 C 表示，發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的PN 結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，集電區(qū)和基區(qū)之間的 PN 結(jié)稱為集電結(jié)?；鶇^(qū)的寬度必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該層材料種少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度，否則就成了兩個(gè)背靠背的獨(dú)立 PN 結(jié)。 2．均勻基區(qū)晶體管和緩變基區(qū)晶體管 在晶體管內(nèi)部，載流子在基區(qū)中的傳輸過程是決定晶體管許多性能（如電流增益、頻率特性等）的重要環(huán)節(jié)。而在基區(qū)寬度確定之后，基區(qū)雜質(zhì)分布是影響載流子基區(qū)輸運(yùn)過程的關(guān)鍵因素。盡管晶體管有很多制造工藝，但在理論上分析其性能時(shí)，為了方便起見，通常根據(jù)晶體管 基區(qū)的雜質(zhì)分布情況不同，將晶體管分為均勻基區(qū)晶體管和緩變基區(qū)晶體管。本章將重點(diǎn)介紹均勻基區(qū)晶體管一些特性原理。 （ 1）均勻基區(qū)晶體管 均勻基區(qū)晶體管的基區(qū)雜質(zhì)是均勻分布的，在這類晶體管中，載流子在基區(qū)內(nèi)的傳輸主要靠擴(kuò)散機(jī)理進(jìn)行，所以又稱為擴(kuò)散型晶體管。其中合金法制造的晶體管就是典型的均勻基區(qū)晶體管，合金管（如鍺 PNP 合金管）的制造工藝和雜質(zhì)分布如圖所示。在 N第二章 雙極結(jié)型晶體管 2 型鍺片的一面放上受主雜質(zhì) 銦鎵（Ⅲ族元素）球 做發(fā)射極，另一面放上 銦球 做集電極，經(jīng)燒結(jié)冷卻后而形成 PNP 結(jié)構(gòu)。 （ 2）緩變基區(qū)晶體管 緩變基區(qū)晶體 管的基區(qū)雜質(zhì)分布是緩變的，這類晶體管的基區(qū)存在自建電場，載流子在基區(qū)除了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)外，還存在漂移運(yùn)動(dòng)且往往以漂移運(yùn)動(dòng)為主，故也稱為漂移晶體管。用各種擴(kuò)散法制造的晶體管可以看著是緩變基區(qū)晶體管。 下圖表示了一種緩變基區(qū)晶體管的制造過程和雜質(zhì)分布。在 N 型硅片上生長一層SiO2膜，在氧化膜上光刻出一個(gè)窗口，進(jìn)行硼（ Ⅲ 族元素）擴(kuò)散，形成 P 型基區(qū)，然后在此 P 型層的氧化膜上再光刻一個(gè)窗口，進(jìn)行高濃度的磷（ Ⅴ 族元素）擴(kuò)散，得到 N型發(fā)射區(qū)，并用鋁蒸發(fā)工藝以制出基極與發(fā)射極的引出電極， N 型基片則用做集電極。 硅片表面全都被擴(kuò)散 層和氧化層所覆蓋，像一個(gè)平面一樣，所以這種工藝制出的晶體管又稱為平面晶體管，是目前生產(chǎn)的最主要的一種晶體管。 167。 四種工作模式 本章主要以均勻基區(qū)的 N+PN 晶體管為例來討論晶體管的各項(xiàng)性能指標(biāo)參數(shù)，并假設(shè)： ① 發(fā)射區(qū)和集電區(qū)寬度遠(yuǎn)大于少子擴(kuò)散長度，基區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長度； ② 發(fā)射區(qū)和集電區(qū)電阻率足夠低，外加電壓全部降落在勢(shì)壘區(qū)，勢(shì)壘區(qū)外無電場； ③ 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)空間電荷區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長度，且不存在載流子的產(chǎn)生與復(fù)合； ④ 各區(qū)雜質(zhì)均勻分布，不考慮表面的影響，且載流子僅做 一維傳輸； ⑤ 小注入，即注入的非平衡載流子濃度遠(yuǎn)小于多子濃度； ⑥ 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)為理想的突變結(jié)，且面積相等。 第二章 雙極結(jié)型晶體管 3 根據(jù) 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)所處偏壓的不同，晶體管有四種工作模式。如圖所示，我們令VVVV EBBEE ??? 為基極對(duì)發(fā)射極的電壓，VVVV CBBCC ??? 基極對(duì)集電極的電壓，下面介紹四種工作模式及其少子的分布。 1．正向有源模式： 0E?V ， 0C?V 少子的分布如圖所示，少子邊界條件為 ? ? pp 0EE ??? ? ? ?????????? Tk Vqpxp B E0EEE e xp ????????? Tk Vqnn B E0BB e xp)0( 0e xp)( B C0BBB ?????????? Tk Vqnxn ? ? 0e xp B C0CCC ?????????? Tk Vqpxp ? ? pp 0CC ?? 其中， p0E →發(fā)射區(qū)熱平衡少子空穴濃度； n0B →基區(qū)熱平衡少子電子濃度； p0C →集電區(qū)熱平衡少子空穴濃度。 2．反向有 源模式： 0E?V ， 0C?V 少子的分布如圖所示，少子邊界條件為 ? ? pp 0EE ??? ? ? 0e xp B E0EEE ??????????? Tk Vqpxp 0e xp)0( B E0BB ?????????? Tk Vqnn 第二章 雙極結(jié)型晶體管 4 ????????? Tk Vqnxn B C0BBB e xp)( ? ? ????????? Tk Vqpxp B C0CCC e xp ? ? pp 0CC ?? 3．飽和模式： 0E?V ， 0C?V 少子的分布如圖所示，少子邊界條件為 ? ? pp 0EE ??? ? ? ?????????? Tk Vqpxp B E0EEE e xp ????????? Tk Vqnn B E0BB e xp)0( ????????? Tk Vqnxn B C0BBB e xp)( ? ? ????????? Tk Vqpxp B C0CCC e xp ? ? pp 0CC ?? 4．截止模式： 0E?V ， 0C?V 少子的分布如圖所示，少子邊界條件為 ? ? pp 0EE ??? ? ? 0e xp B E0EEE ??????????? Tk Vqpxp 0e xp)0( B E0BB ?????????? Tk Vqnn 0e xp)( B C0BBB ?????????? Tk Vqnxn ? ? 0e xp B C0CCC ?????????? Tk Vqpxp ? ? pp 0CC ?? 167。 晶體管的電流放大原理 晶體管工作在正向有源模式下（ 0E?V ， 0C?V ）具有放大電信號(hào)的功能，這是晶體管最主要的作用。單個(gè) PN 結(jié)只具有整流作用而不能放大 電信號(hào)，但是當(dāng)兩個(gè)彼此很靠近的 PN 結(jié)形成晶體管時(shí)，兩個(gè)結(jié)之間就會(huì)相互作用而發(fā)生載流子交換，晶體管的電第二章 雙極結(jié)型晶體管 5 流放大作用正是通過載流子的輸運(yùn)體現(xiàn)出來的。 1．平衡晶體管的能帶 在晶體管的三個(gè)端不加外電壓時(shí)（即平衡狀態(tài)下），晶體管具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，其能帶和載流子的分布如圖（ a）所示。 （ a）平衡晶體管的能帶 （ b）非平衡晶體管的能帶 2． 正向有源模式下的能帶 晶體管處于放大模式下的能帶和少子分布如圖所示。 由于發(fā)射結(jié)正偏，勢(shì)壘降低了 VqE ，電子 將從發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入，空穴將從基區(qū)向發(fā)射區(qū)注入，基區(qū)出現(xiàn)過量電子，發(fā)射區(qū)出現(xiàn)過量空穴。過量載流子濃度取決于發(fā)射結(jié)偏壓的大小和摻雜濃度。當(dāng)基區(qū)寬度很?。ㄟh(yuǎn)遠(yuǎn)小于電子的擴(kuò)散長度）時(shí)，從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子除少部分被復(fù)合掉外，其余大部分能到達(dá)集電結(jié)耗盡層邊緣，集電結(jié)處于反向偏壓，集電結(jié)勢(shì)壘增加了 VqC 。來到集電結(jié)的電子被電場掃入集電區(qū)，成為集電極電流。這個(gè)注入電子電流遠(yuǎn)大于反偏集電結(jié)所提供的反向飽和電流，是集電極電流的主要部分。如果在集電極回路中接入適當(dāng)?shù)呢?fù)載就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào) 放大。 從以上分析可見，基區(qū)寬度很窄是晶體管實(shí)現(xiàn)放大作用的必要條件之一。如果基區(qū)較寬（大于電子擴(kuò)散長度），注入到基區(qū)的過量電子在到達(dá)集電結(jié)之前被復(fù)合殆盡，此時(shí)晶體管是兩個(gè)背靠背的 PN，不可能有放大作用。 3．電流分量 下圖表示處于放大狀態(tài)的 NPN 晶體管內(nèi)的各電流分量。發(fā)射極和基極處于輸入回路，基極和集電極處于輸出回路，基極作為公共端，這種連接方法稱為共基極接法。 第二章 雙極結(jié)型晶體管 6 （ 1）發(fā)射極電流 IE 發(fā)射極電流 IE 由三部分組成：① 從發(fā)射 區(qū)注入到基區(qū)中的電子擴(kuò)散電流 InE ，這股電流大部分能夠傳輸?shù)郊姌O，成為集電極電流 IC 的主要部分；② 從基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)的空穴擴(kuò)散電流 IpE ，這股電流對(duì)集電極電流 IC 無貢獻(xiàn)，且還是基極電流 IB 的一部分；③ 發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)耗盡層內(nèi)的復(fù)合電流 Irg ，這部分電流很小，根據(jù)假設(shè)通常不 考慮。所以有 IIIIII pEnErgpEnEE ????? （ 2）基極電流 IB 基極電流 IB 由四部分組成：① 發(fā)射結(jié)正偏，由基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)的空穴擴(kuò)散電流IpE ；② 基區(qū)復(fù)合電流 III nCnEVB ?? ，它代表進(jìn)入基區(qū)的電子與空穴復(fù)合形成的電流；③ 集電結(jié)反偏的反向飽和電流 I 0CB ，這部分電流是由少子的漂移形成，通常要比 IVB 和IpE 小很多；④ 發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)耗盡層內(nèi)的復(fù)合電流 Irg （很小忽略）。所以有 IIIIIIII 0CBVBpErg0CBVBpEB ??????? 第二章 雙極結(jié)型晶體管 7 （ 3）集電極電流 IC 集電極電流 IC 主要有兩部分：① 擴(kuò)散到集電結(jié)邊界的電子擴(kuò)散電流 InC ，這些電子在集電結(jié)電場作用下漂移，通過集電結(jié)空間電荷區(qū)，變?yōu)殡娮悠齐娏?，它是一股反向大電流，是集電極電流 IC 的主要部分；② 集電結(jié)反向漏電流 I 0CB 。所以有 III 0CBnCC ?? 根據(jù)以上各關(guān)系式，可得 III BCE ?? 由此可見，總的發(fā)射極電流 IE 等于到達(dá)集電極的電子電流 IC 和通過基極流入的空穴電流 IB 之和。一只好的晶體管， IC 與 IE 十分接近，而 IB 很小（例如只有 IC 的 1％～ 2％ ）。 4．晶體管的直流－電壓關(guān)系 上面定性地分析了晶體管載流子的傳輸過程，各電流的形成和它們的基本關(guān)系，那么這些電流與器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)及外加電壓又是什么關(guān)系呢？從上面分析可知，只要求出 InE 、 IpE 、 IVB 、 I 0CB 的關(guān)系式，就可方便地得到晶體管各端電流與電壓的關(guān)系式了，下面將分別討論。 （ 1）求 InE InE 是從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子在基區(qū)擴(kuò)散形成的電流。根據(jù)假定，基區(qū)寬度（ xB? ）遠(yuǎn)小于少子電子在基區(qū)中的擴(kuò)散長度 LnB ，則少子電子通過基區(qū)由于復(fù)合而損失的那部分是很小的，基區(qū)電子可近似看成線性分 布（如圖中虛線）。根據(jù) PN 結(jié)理論，由圖可知，中性基區(qū)邊界處 0?x 和 xBx? 處電子濃度分別為 ????????? Tk Vqnn B E0BB e xp)0( 0e xp)(BC0BBB ?????????? Tk Vqnxn 其中 n0B 為基區(qū)平衡少子電子濃度，則可得基區(qū)電子線性分布函數(shù)為 第二章 雙極結(jié)型晶體管 8 ???????? ??????????? xxTk Vqnxn BB E0BB 1e xp)( 根據(jù) PN 結(jié)理論（見 PN 結(jié)那一章），并考慮到 Lx nBB?? ，可得到 ?????? ???????????? 1e xp)0( B EB 0BnBnEnE Tk Vqx nDqAII （其中將 LnB 換成了 xB ） （ 2）求 IpE IpE 是由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴擴(kuò)散電流。在發(fā)射區(qū)，少子空穴濃度呈指數(shù)分布，且發(fā)射區(qū)寬度遠(yuǎn)大于少子擴(kuò)散長度，所以根據(jù) PN 結(jié)理論，直接可以得到 發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)邊界 xE? 處少子空穴濃度為 ?????????? Tk Vqpxp B E0EEE e xp)( 注入發(fā)射區(qū)的空穴擴(kuò)散電流為 ?????? ????????????? 1e xp)( B EpE 0EpEEpEpE Tk VqL pDqAxII 式中， LpE → 發(fā)射區(qū)空穴擴(kuò)散長度； DpE →發(fā)射區(qū)空穴擴(kuò)散系數(shù)。 （ 3）求 IVB IVB 是由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)中的電子與基區(qū)中的空穴復(fù)合形成的電流。從前面的討論知道，電子在擴(kuò)散通過基區(qū)的過程中要與空穴復(fù)合，基區(qū)中積累的注入電子數(shù)目決定了基區(qū)復(fù)合電流的大小。基區(qū)復(fù)合電流 IVB 就是指單位時(shí)間內(nèi)基區(qū)中復(fù)合的電子數(shù)與電子電荷量之積，或者說單位時(shí)間內(nèi)基區(qū)中復(fù)合的總電子電荷量，即 IVB 的大小為 ? nBVB 數(shù)基區(qū)中積累的注入電子??? qI （ ?nB 為基區(qū)中電子壽命 ） 在基區(qū)很窄、電子分布為線性的假設(shè)下，基區(qū)中積累的注入電子總數(shù)，大致等于載流子線性濃度分布曲線下的面積，即 ? ?nnAx 0BBB )0(21 ??基區(qū)積累的注入電子數(shù) ?????? ?????????? 1e xp21 B E0BB Tk VqnxA 第二章 雙極結(jié)型晶體管 9 所以 ?????? ??????????? 1e xp2BEnB0BBVB Tk VqnxqAI ? （ 4）求 I 0CB I 0CB 是由于集電結(jié)反偏，少子漂移形成的反向電流，它由電子漂移電流 InCB 和空穴漂移電流 IpCB 兩部分組成，即 III pCBnCB0CB ?? 。根據(jù)反偏 PN 結(jié)的理論，可得 ?????? ?????????? 1e xp B CpC 0Cp